碳纤维复合材料在无人机上的应用
张新雨 吕鸿雁
【摘 要】本论文探讨了碳纤维复合材料在小型无人机上的应用，着重分析了两种材料的特点和应用：碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式之一，在满足强度需求的前提下，小型无人机的复合材料选择上，以小丝束，重量轻的纤维织物最佳；三明治夹芯复合材料也比较适合应用在小型无人机上，三明治夹芯复合材料在保持力学性能的同时，可以显著减轻重量，并且造价较低，工艺也不太复杂。
【关键词】碳纤维复合材料；小型无人机；碳纤维织物；三明治夹芯复合材料
中图分类号： V279；TB33 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0143-001
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.063
0 引言
碳纤维是由有机纤维 （聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶纤维或酚醛纤维等） 经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料纤维。其含碳量在90%以上， 呈黑色， 具有强度高、比模量高 （强度为钢铁的10倍， 质量仅有铝材的一半） 、质轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、摩擦因数小、耐高低温等优越性能，被称为“新材料之王”。
碳纤维及其复合材料广泛应用于航空航天等领域。其中，树脂基碳纤维复合材料可用于制造飞机、卫星、火箭等飞行器的部件， 重量轻而且强度高，抗疲劳性能优良。新一代民用客机例如Boeing787、Airbus350等，飞机结构中复合材料的占比超过了50%，机翼蒙皮等部位大量采用碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。复合材料的使用不仅降低了飞机的重量，还增加了使用寿命。因此，在微小型民用无人机领域，复合材料也得到了广泛的应用。
1 碳纤维复合材料在小型无人机上的应用
1.1 微小型无人机采用碳纤维复合材料的原因
微小型无人飞行器通常具有以下特点：重量轻（起飞重量一般不超过7kg），载荷较小，飞行高度低（不高于500m），速度慢（0-300km/h），续航时间通常较短，动力系统较弱等。但由于起降场地小，飞行作业环境复杂，则又要求飞机具有一定抗毁伤能力。目前，主流的微小型飞行器包括固定翼飞机和多旋翼飞机，以及小型旋翼直升机。
传统的微小型无人机通常采用轻木结构框架，表面加以热缩蒙皮，或者是采用EPP等材质发泡成型；对多旋翼而言，机体通常采用铝合金型材，或者塑料。这些材料虽然重量轻，但是极易在外力作用下形变，抗毁伤能力不强，也就造成了使用寿命有限。于是，碳纤维增强树脂等材料便成为了更好的选择。
1.2 碳纤维织物的特点及其在小型无人机上的应用
碳纤维一般不单独使用，常被加工成织物、毡、席、带、纸等，作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式之一。按照碳纤维织物中纱线的取向， 碳纤维织物可分为单向织物、双向织物（分平纹、斜纹和缎纹） 和多轴向织物。上述3种形式的碳纤维织物在目前市场上应用较为广泛， 主要应用形式有浸胶和无浸胶两大类。
对于小型飞行器，大面积应用碳纤维材料的部位在机翼，机翼既要承受全机的载荷，气动升力和阻力，也要承受拉力，扭力，剪切力等，这些力作用在机翼的各个方向上。显然，单向碳纤维织物并不能满足要求，双向织物便成了最佳的选择，造价合理，且工艺相对简单。因此，对于小型固定翼飞行器，在机翼部位选择使用单层双向编织碳纤维布，即可满足机翼的强度需求。
碳纤维有大丝束和小丝束之分，按照每束碳纤维丝所含的单丝数目，以K为1000根：常用的可分为1K、3K、12K、24K、48K等等[1]。显然，单丝数目越多，单位长度的重量也就越大，强度也对应会升高。小型飞行器的重量要求十分苛刻，有限的电池容量、更多的任务载荷等的种种原因，使得每减轻一克重量，飞行性能都可能会得到巨大的提升。所以，复合材料在小型飞行器上的一大使命，便是减重。以日本东邦公司生产的HTA40型1K碳纤维丝为例，其拉伸强度为3800MPa，模量为238GPa，以此纤维丝编程成的1K碳纤维布，重量约80-120g/㎡，单就数据而言，单层织物即可可以满足机翼等部位的需求。而如果使用展宽碳纤维布，则可进一步降低重量。因此，在小型无人机的复合材料选择上，以小丝束，重量轻的纤维织物最佳。
1.3 三明治夹心结构复合材料在小型无人机上的应用
对于大型飞机而言，其机身主要采用薄壳结构，机翼以翼肋复合蒙皮。在小型无人机上使用该结构，显然成本较为高昂，工艺也较复杂。有一种加工简便成本较低的结构，便是三明治夹心结构：即在重量相对较轻，而相对较厚的芯材两侧，贴附薄而坚固且有一定剛度的面板。三明治夹心结构有着典型的轻重量，高刚性和高强度的特征。当该结构承受弯曲载荷时，其工作原理某种意义上来说类似于工字钢：工字钢翼板（正如三明治夹芯结构的面板）承载平面压缩和拉伸荷载，而工字钢腹板承受剪切载荷（正如结构三明治夹芯结构的芯材）。像使用传统的工字钢一样，当上下面板之间的距离被进一步分开，结构就能获得更大比例的刚性。
在复合材料的成型工艺上，有以下几种：编织缠绕工艺，高压树脂传递模塑成型HP-RTM，真空辅助成型工艺，模压工艺等。为保证气动外形的精准，模压工艺是较为可行的方式。将纤维织物均匀涂布树脂后（通常采用环氧树脂），贴服与内核材料表面，随后将复合夹心结构的部件放入对应的模具当中，通过模具的压力，使制品表面光滑，此方法在常温常压下即可进行，无需特殊环境，工艺简便，且制品表面光洁度好，重量控制的十分合理。
三明治夹芯结构在具有在保持力学性能的同时显著减轻重量的能力。因此，在三明治夹芯复合材料的应用变得越来越广泛[2]。以碳纤维增强树脂作为蒙皮，芯材使用XPS（挤塑聚苯乙烯泡沫塑料）、EPP（发泡聚丙烯）、PMI（聚甲基丙烯酰亚胺泡沫）等的具有一定硬度和抗压能力的轻质泡沫塑料，通过一定的工艺，使之形成碳纤维织物—芯材—碳纤维织物的复合夹心结构。
2 结论
随着复合材料在航空、航天领域应用的越来越广泛，小型无人机上也越来越多的采用碳纤维复合材料。碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式之一，小型无人机的复合材料选择上，以小丝束，重量轻的纤维织物最佳。此外，三明治夹芯复合材料在保持力学性能的同时显著减轻重量的能力，并且造价相对较低，工艺也不太复杂，因而也比较适合应用在小型无人机上。
【参考文献】
[1]张元，李建利，张新元，徐敏.碳纤维织物的特点及应用[J].棉纺织技术，2014，42（05）：74-77.
[2]张铁亮.卫星夹层结构分析与结构设计研究[D].南京航空航天大学，2012.
